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Zylinderkopf

Zylinderkopf eines gängigen Vierzylinder-, Zweiventil-, Viertakt-Ottomotors.

Der Zylinderkopf dichtet den Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors ab und ist dazu am Ende des Zylinders über dem oberen Totpunkt des Kolbens angeordnet. Bei Viertaktmotoren beherbergt er die Ventilsteuerung für die Gaswechselvorgänge, bei Ottomotoren auch die Zündkerzen. Hierdurch gehört der Zylinderkopf neben dem Motorblock zu den aufwendigsten und teuersten Teilen eines Fahrzeugs.

Typologie

Verbrennungsmotoren und ihre Zylinderköpfe lassen sich nach folgenden Merkmalen klassifizieren:

• Zweitaktmotoren (ohne Ventile) oder Viertaktmotoren (mit Ventilen).
• Ottomotoren (mit Zündkerzen) oder Dieselmotoren (ohne Zündkerzen, statt dessen Einspritzdüsen).
• Saugmotoren (mit Vergaser) oder Einspritzmotoren (ohne Vergaser).
• Untenliegende oder obenliegende Nockenwelle.
• Einfache oder doppelte Nockenwellen.

Bestandteile

Schnitt durch einen DOHC-Zylinderkopf.

Je nach Kombination der o.g. Kriterien enthält ein Zylinderkopf...

• Einlassventile: Durch sie wird entweder Luft (bei Dieselmotoren) oder das vom Vergaser oder der Einspritzanlage erzeugte Luft-Kraftstoff-Gemisch angesaugt. Da dieses angesaugte Gas kalt ist, sind die Einlassventile nicht so hohen Temperaturen ausgesetzt wie die Auslassventile.
• Auslassventile: Durch diese entweicht das Abgas in die Abgasleitung (Abgaskrümmer), umgangssprachlich auch Auspuff genannt. Auslassventile sind daher hohen Temperaturen ausgesetzt.
• Nockenwelle(n): Bei Motoren mit einfacher obenliegender Nockenwelle (OHC = overhead camshaft) oder doppelter obenliegender Nockenwelle (DOHC = double overhead camshaft) beherbergt der Zylinderkopf auch eine oder zwei Nockenwellen. Diese öffnen und schließen die Ventile direkt oder indirekt, und werden hierzu beispielsweise mit einer Steuerkette von der Kurbelwelle angetrieben. Die Drehzahl einer Nockenwelle ist immer halb so groß wie die der Kurbelwelle, da es sich um einen Viertaktmotor handelt.
• Zündkerzen:Bei Viertaktottomotoren geben diese bei jeder zweiten Kurbelwellen-Umdrehung einen Zündfunken ab, bei Zweitaktmotoren bei jeder Kurbelwellen-Umdrehung. Dieselmotoren besitzen keine Zündkerzen.
• Lage der Einspritzdüsen: Bei Diesel-Direkt-Einspritzmotoren spritzen sie direkt in den Brennraum und sind entsprechend hohen Drücken und Temperaturen ausgesetzt. Bei Vorkammer- oder Wirbelkammer-Dieselmotoren spritzen sie in die Kammer ein und sind relativ hohen Drücken ausgesetzt.
• Benziner-Einspritzventile: teils sind sie am Zylinderkopf fest montiert (oftmals bei Einzeldüsen pro Zylinder, "Multi Point"), teils jedoch auch am vor dem Zylinderkopf liegenden Einlasskrümmer (in Fällen von "Single Point"-Einspritzungen). Bei konventionellen Benziner-Einspritzmotoren liegen sie im kühlen Ansaugrohr-Bereich, im Zylinderkopf oder im Krümmer davor, und sind durch die Einlassventile vom Brennraum getrennt. Bei neueren Benziner-Direkteinspritzern hingegen sitzen sie im Zylinderkopf, spritzen direkt in den Verbrennungsraum ein und sind dort höheren Temperaturen und der Verkokungsgefahr ausgesetzt.

Konstruktive Merkmale

Ein Verbrennungsvorgang in einem Zylinder übt auf den Zylinderkopf dieselbe Kraft aus wie auf den Kolben. Deshalb ist der Zylinderkopf sehr hohen Kräften ausgesetzt, die ihn nach außen drücken. Er ist aus diesem Grund oft nicht am Zylinder, sondern direkt am Kurbelwellengehäuse festgeschraubt, mit langen Zugankern bzw. Stehbolzen, die durch entsprechende Bohrungen durch die Zylinder hindurch geführt sind, und spannt den dazwischenliegenden Zylinder so fest ein, dass der Motor trotz elastischer Schwingungen dicht bleibt. Besitzt der Motor einen Motorblock, so wird der Zylinderkopf oft mittels Dehnschrauben befestigt, die nur einmal verwendet werden dürfen. Es ist sehr wichtig, bei der Montage einen Drehmomentschlüssel zu nehmen, um das vorgeschriebene Anzugsmoment dieser hoch belasteten Schraubenverbindung genau einzuhalten. Auch ist eine exakte Beachtung der festgelegten Vorgehensweise bzgl. Verschraubungs-Reihenfolge, Drehmoment-Stufungen und eventueller Kontrollpflicht nach Zeitablauf notwendig.

Die beweglichen Teile sind bei allen modernen Motoren in den Ölkreislauf einbezogen. Das Schmierdrucköl wird meist durch einen Zylinderkanal und die Zylinderkopfdichtung zum Zylinderkopf geleitet, oder in seltenen Fällen und bei alten Motorenbauarten durch eine separate verschraubte Ölleitung. Zum Schutz gegen den Austritt von drucklosem Spritzöl am Zylinderkopf genügt ein einfacher dünnwandiger Zylinderkopfdeckel mit Gummi- oder Korkdichtung.

Bei untenliegender Nockenwelle sind die Kipphebel der Ventile im allgemeinen über Stoßstangen, die parallel zu den Zylindern verlaufen und eine Axialbewegung übertragen, mit der außerhalb des Zylinderkopfes gelegenen Nockenwelle verbunden. Obenliegende Nockenwellen werden entweder durch eine Steuerkette oder durch einen Zahnriemen angetrieben. Seltener werden Stirnradkaskaden oder auch am Zylinder längslaufende Wellen mit Kegelradantrieben, sogenannte 'Königswellen', verwendet.

Es gibt auch bei Viertaktern sehr einfache Zylinderköpfe: bei Motoren mit seitlich liegenden Ventilen (SV-Anordnung, "Side Valves"). Diese Zylinderköpfe ähneln in ihrer flachen Bauweise Zweitakter-Köpfen, da die Ventilanordnung hier Bestandteil der Zylinder und nicht des Zylinderkopfes sind. SV-Motoren sind aber lange bereits nicht mehr Stand der Technik, auch wenn sie vereinzelt (Russland, Volksrepublik China) noch neu gebaut werden.

Die Kühlung erfolgt über eine Längs- oder Querströmung des Kühlwassers. Bei der Querströmung strömt das Kühlmedium von der Auslass- zur Einlassseite oder Umgekehrt; bei der Längsströmung im wesentlichen von der Rückseite in Kurbelwellenlängsrichtung zur Vorderseite. Die Querströmung ist vorteilhafter, da die Kühlung aufgrund eines deutlich geringeren Druckverlustes effektiver erfolgt und somit die Antriebsleistung der Wasserpumpe stark verringert werden kann.

Zylinderköpfe von Schiffsmotoren sind oft mit einer begehbaren Galerie umgeben, um bequem daran arbeiten zu können, und sind mit Druck- und Temperatursensoren ausgestattet, die die Zylinderköpfe in das Informationssystem einbinden, mit dem die Maschine von der Brücke bzw. vom Steuerstand aus fernüberwacht und -gesteuert wird.

Typische Arbeiten am Zylinderkopf

• Überprüfen der Zündkerzen: Reinigen, Elektrodenabstand prüfen, Farbe prüfen. Die Farbe muss hellbraun sein. Hellgrau bis weiß deutet auf ein zu mageres Gemisch hin, schwarz und rußig auf ein zu fettes.
• Ventilspiel einstellen: Entweder mit entsprechenden Einstellschrauben oder mit geschliffenen Unterlags-Plättchen passender Dicke ("Shims") (mittlerweile oft durch Hydrostößel entbehrlich)
• Ventile einschleifen (nur selten nötig, nur bei altem, verschlissenem Motor)
• Erneuern der Zylinderkopfdichtung
• Erneuern des Kettenspanners der Steuerkette
• Kompressionsprüfung: Anstelle der Zündkerze wird eine Druckmessvorrichtung eingesetzt. Damit lässt sich beurteilen, inwieweit Ventile, Zylinder, Kolben und Kolbenringe verschlissen sind und beispielsweise ein Übermaßkolben nötig wird, um ihn wieder dicht zu bekommen. Eine Kompressionsprüfung kann beim Kauf eines Gebrauchtfahrzeugs sinnvoll sein.